Проводники и диэлектрики в электрическом поле: виды и примеры веществ, свойства, применение диэлектриков

Что такое проводники и диэлектрики

Проводники — это вещества со свободными электрическими зарядами, которые могут двигаться направленно под действием внешнего электрического поля. Эти функции:

• металлы и их отливки;
• природный углерод (уголь, графит);
• электролиты — растворы солей, кислот и щелочей;
• ионизированный газ (плазма).

Основное свойство материалов: свободные заряды — электроны в твердых проводниках и ионы в растворах растворяются и растворяются, перемещаясь по всему объему проводника, проводят электрический ток. Под действием приложенного к проводнику электрического напряжения создается проводящий ток. Удельное сопротивление и электропроводность — основные показатели материала.

Свойства диэлектрических материалов противоположны проводникам электричества. Диэлектрики (изоляторы) — состоят из нейтральных атомов и молекул. У них нет возможности перемещать заряженные частицы под действием электрического поля. Диэлектрики в электрическом поле накапливают нескомпенсированные заряды на поверхности. Они образуют внутри изолятора постоянное электрическое поле, диэлектрик поляризован.

В результате поляризации заряды на поверхности диэлектрика стремятся уменьшить электрическое поле. Это свойство изоляционных материалов называется диэлектрической проницаемостью диэлектрика.

Где применяются диэлектрики и проводники

Материалы используются во всех сферах жизнедеятельности человека, где используется электрический ток: в промышленности, сельском хозяйстве, приборостроении, электрических сетях и бытовой технике.

Выбор кондуктора обусловлен его техническими характеристиками. Наименьшее удельное сопротивление имеют изделия из серебра, золота и платины. Их использование ограничено космическими и военными целями из-за их высокой стоимости. Медь и алюминий проводят ток немного хуже, но их относительная дешевизна привела к их широкому использованию в качестве проводной и кабельной продукции.

Чистые металлы без примесей лучше проводят ток, но в некоторых случаях необходимо использовать проводники с высоким удельным сопротивлением — для изготовления реостатов, электропечей, электронагревательных приборов. Для этих целей используются сплавы никеля, меди, марганца (манганин, константан). Электропроводность вольфрама и молибдена в 3 раза ниже, чем у меди, но их свойства широко используются при производстве электрических ламп и радиоустройств.

Твердые диэлектрики — это материалы, обеспечивающие безопасность и правильное функционирование токопроводящих элементов. Они используются как электроизоляционный материал, предотвращающий утечку тока, изолируя проводники друг от друга, от корпуса устройства, от земли. Примером такого изделия являются диэлектрические перчатки, о которых мы поговорим в нашей статье.

Жидкие диэлектрики используются в конденсаторах, силовых кабелях, системах циркуляционного охлаждения для турбогенераторов и высоковольтных масляных выключателях. Материалы используются в качестве шпатлевки и пропитки.

Газоизолирующие материалы. Воздух является естественным изолятором и в то же время обеспечивает отвод тепла. Азот используется там, где окислительные процессы недопустимы. Водород используется в мощных генераторах с большой теплоемкостью.

Описание

Каждый электронный или радиотехнический проводник, полупроводник или заряженный диэлектрик пропускает через себя электрический ток, но особенность диэлектрика в том, что даже при высоком напряжении выше 550 В будет течь небольшой ток. Электрический ток в диэлектрике — это движение заряженных частиц в определенном направлении (оно может быть положительным и отрицательным).

Применение

Использование непроводящих материалов очень широко, поскольку это один из популярных классов электрических компонентов. Стало совершенно ясно, что их можно использовать благодаря своим свойствам как в активной, так и в пассивной форме.

В пассивной форме свойства диэлектриков используются для использования в электроизоляционном материале.

В активной форме они используются в сегнетоэлектриках, а также в материалах для лазерных излучателей.

Твердые диэлектрики

Диэлектрики разные. Например, твердые диэлектрики могут обеспечить безопасность электроприборов. Это хорошие изоляторы тока, а значит, они сильно влияют на срок службы этих устройств. Диэлектрические перчатки являются одним из примеров.

Жидкие диэлектрики

Но жидкие диэлектрики нужны немного для другого. Они используются в конденсаторах, кабелях, системах охлаждения рециркуляционного воздуха и во многих других областях.

Газообразные диэлектрики

Есть еще газообразные диэлектрики, но сейчас они не так популярны. Эти диэлектрики были созданы самой природой. Например, водород используется для мощных генераторов, которые просто обладают запредельной теплоемкостью, а азот помогает минимизировать процессы окисления. Рассмотрим воздух как простейший пример газообразного диэлектрика. Да, он также является диэлектриком и также может отводить тепло.

Характеристики и физические свойства материалов

Параметры проводников определяют область их применения. Основные физические характеристики:

• удельное электрическое сопротивление — характеризует способность вещества препятствовать прохождению электрического тока;
• коэффициент термостойкости — величина, характеризующая изменение показателя в зависимости от температуры;
• теплопроводность: количество тепла, которое проходит в единицу времени через слой материала;
• контактная разность потенциалов — возникает при соприкосновении двух разнородных металлов, используется в термопарах для измерения температуры;
• предел прочности и относительное удлинение — зависит от типа металла.

При охлаждении до критических температур удельное сопротивление проводника стремится к нулю. Это явление называется сверхпроводимостью.

Свойства, характеризующие проводник:

• электрические — сопротивление и электропроводность;
• химические: взаимодействие с окружающей средой, защита от коррозии, возможность соединения сваркой или пайкой;
• физические — плотность, температура плавления.

Особенность диэлектриков — противостоять воздействию электрического тока. Физические свойства электроизоляционных материалов:

• диэлектрическая проницаемость — способность изоляторов поляризоваться в электрическом поле;
• удельное объемное сопротивление;
• электрическое сопротивление;
• тангенс угла диэлектрических потерь.

Изоляционные материалы характеризуются следующими параметрами:

• электрические — величина напряжения пробоя, диэлектрическая прочность;
• физическая — термостойкость;
• химические — растворимость в агрессивных веществах, устойчивость к влажности.

Сила и плотность тока

Термин «сила тока» часто используется для описания характеристик электричества. Определяет интенсивность движения зарядов, проходящих через поперечное сечение проводника.

Плотность тока — это векторная величина. Вектор направлен в сторону движения положительно заряженных зарядов. Его модуль равен отношению силы электрического тока к определенному сечению проводника, перпендикулярному направлению движения зарядов в его зоне. Измерение производится в амперах на метр.

Мощность

Электрические силы действуют против активного и реактивного сопротивления. При пассивной работе он будет преобразован в тепловую энергию. Производительность — это работа, которая выполняется за 1 единицу времени. В отношении электроэнергии используется термин «рассеиваемая мощность». Мощность тепловых потерь проводника равна силе тока, умноженной на напряжение. Мощность измеряется в ваттах.

Ток смещения

Этот термин введен для удобства, хотя в здравом смысле его нельзя назвать током, так как передачи заряда нет. Сила электромагнитного поля зависит от проводимости и смещения.

Токи смещения можно увидеть в конденсаторе. Несмотря на то, что во время зарядки и разрядки заряд не перемещается между пластинами конденсатора, ток смещения будет протекать через конденсатор и замыкать электрическую цепь.

Виды и классификация диэлектрических материалов

Изоляторы классифицируются на группы по нескольким критериям.

Классификация по агрегатному состоянию вещества:

• твердые — стекло, керамика, асбест;
• жидкие — растительные и синтетические масла, парафин, сжиженный газ, синтетические диэлектрики (кремний и фторорганические соединения фреон, фреон);
• газообразный — воздух, азот, водород.

Диэлектрики могут быть естественного или искусственного происхождения, органического или синтетического происхождения.

К органическим натуральным изоляционным материалам относятся растительные масла, целлюлоза, резина. Они отличаются низкой жаро- и влагостойкостью, быстрым старением. Синтетические органические материалы — различные виды пластмасс.

Неорганические диэлектрики, встречающиеся в природе, включают: слюду, асбест, мусковит, флогопит. Вещества устойчивы к химическому воздействию, выдерживают высокие температуры. Искусственные неорганические диэлектрические материалы — стекло, фарфор, керамика.

Постоянный

Речь идет о токе, который в течение определенного промежутка времени не меняет своей величины и направления. Нередко пульсирующий электрический ток считается постоянным. Он отличается тем, что одинаковое количество зарядов регулярно заменяется друг на друга в одном направлении.

Важно! В процессе определения направления есть отличия. Когда электрический ток образуется движением положительных частиц, тогда направление будет соответствовать движению частиц

Когда они образованы движением отрицательных частиц, направление считается противоположным движению частиц.

Основным преимуществом будет то, что его можно будет накапливать. Делается это своими руками, используя батарейки или конденсаторы.

Переменный

Чтобы понять суть переменного электрического тока, необходимо изобразить синусоиду. Непосредственно он сможет лучше всего охарактеризовать изменения постоянного тока. Переменный электрический ток постоянно меняет свою полярность. В течение одного интервала он положительный, другие отрицательный. Для него немаловажным фактором будет скорость смены полярности (частоты).

Большинство оборудования работает на переменном токе отличных частот. Из-за колебаний частоты можно изменять скорость вращения двигателя.

Важно! Вы можете увидеть наглядный пример, рассмотрев обычную лампу. В частности, это заметно по некачественной диодной лампочке

В процессе работы на постоянном электрическом токе они будут гореть равномерным светом, а на переменном едва заметно мерцают.

Поговорим о поляризации

Следующий важный термин, который пора узнать, — это поляризация диэлектриков. Дело в том, что процессы смещения диэлектрических зарядов протекают с разной скоростью. Как мы уже говорили, для связанных зарядов время смещения намного меньше, но другие процессы очень медленные.

По мере смещения зарядов диэлектрика образуется другое поле. Это только ослабляет основное (внешнее) поле. Именно явление образования нового поля называется диэлектрической поляризацией. Теперь давайте углубимся в этот процесс, потому что здесь много интересных деталей.

Для начала разберемся, почему новое поле появляется именно по смещению. Здесь все просто, потому что теперь из неупорядоченного состояния диэлектрик становится более упорядоченным — отрицательные заряды теперь располагаются слева от своих положительных. Это то, что создает новое поле.

Проницаемость диэлектрика

Но как измерить, насколько внутреннее поле ослабляет внешнее? Ну тут все очень просто. Такая мера называется электрической проницаемостью или диэлектрической проницаемостью (вы, наверное, слышали этот термин раньше). Обычно говорят, что диэлектрическая проницаемость диэлектрика постоянна, но на самом деле из-за того, что поляризация занимает много времени, мы скажем, что эта величина зависит от времени действия внешнего поля.

Как на проницаемость диэлектрика влияет температура?

Но только время влияет на электрическую проницаемость. Оказывается, не один. Получается, что если повышать температуру, то вместе с этим увеличивается и интенсивность теплового движения, а это, как известно, напрямую влияет на диэлектрическую проницаемость диэлектрика. Почему? Все просто: переход в стационарный режим усложняется, и поэтому диэлектрическая проницаемость становится меньше с повышением температуры.

Зависимость сопротивления проводника от частоты тока

При воздействии электрического тока индукция магнитного поля возникает внутри прямого проводника и в окружающем пространстве. Магнитные линии образуют концентрические окружности.

Если проводник с током условно разделить на несколько параллельных токоведущих проводов, то можно установить, что чем ближе токоведущий провод находится к оси проводника, тем больше магнитный поток, замыкающийся внутри него. Индуктивность нити накала и индуктивное сопротивление пропорциональны связанному с ней магнитному потоку.

В связи с этим в нитях с переменным током, которые расположены внутри проводящего вещества, возникает большее индуктивное сопротивление, чем в нитях, расположенных снаружи. На поперечном сечении образуется неравномерный ток, который нарастает от оси к поверхности проводника, что объясняет увеличение сопротивления проводников переменному току. Это явление называется поверхностным эффектом.

Из-за неравномерного распределения плотности тока сопротивление проводника увеличивается. При низкой частоте 50 Гц и небольшом участке медного провода поверхностный эффект практически незаметен. При значительном увеличении частоты и сечения железного проводника это явление будет более активным.

Примечание! Чем выше частота тока в цепи, тем ближе электрические заряды к поверхности проводника и тем больше увеличивается его сопротивление.

Формула определения длины проводника

Вы можете определить длину проводника, измерив ее напрямую, например, с помощью рулетки. Если нужно рассчитать длину скрытой в жилище электропроводки, нужно учитывать, что обычно она прокладывается горизонтально вдоль стен на расстоянии 15-20 см от потолка. Вертикально под прямым углом производят опускание выключателей и розеток. Если проводник труднодоступен (заземляющие проводники) или длинный, этот метод может быть затруднен.

Тогда длина проводника определяется иначе. Для этого нужно подготовить:

• строительная лента,
• тестер
• плоскогубцы,
• таблица электропроводности металлов.

Для начала нужно измерить сопротивление отдельных участков проводки. Далее определите сечение провода и материал, из которого он изготовлен. Обычно в повседневной жизни используются токопроводящие материалы из алюминия или меди.

Из формулы для определения сопротивления (R = r * L * s) длина проводника находится по формуле:

L = R / r * s,

где это находится:

• L — длина провода,
• R — его сопротивление,
• r — удельное сопротивление материала (для меди от 0,0154 до 0,0174 Ом, для алюминия — от 0,0262 до 0,0278 Ом),
• s — площадь поперечного сечения провода.

Рассчитайте сечение провода:

S = π / 4 * D2,

где это находится:

• — число, примерно равное 3,14;
• D — диаметр, измеренный штангенциркулем.

Если необходимо найти длину намотанного на катушку провода, определите длину катушки в метрах и умножьте ее на количество витков.

Если катушка круглая, измерьте ее диаметр, умножьте на количество и количество витков:

L = d * π * n,

где это находится:

• d — диаметр рулона,
• n — количество витков провода.

Зонная теория

Зонная теория твердого тела — это теория движения валентных электронов в потенциальном поле кристаллической решетки. Квантовая механика считает, что свободные электроны могут иметь любую энергию, спектр которой непрерывен.

Электроны изолированных атомов обладают определенным дискретным количеством энергии. Когда отдельные атомы объединяются в молекулы и образуется вещество, электронные уровни атома смещаются. Следовательно, полосы энергетических уровней формируются из энергетических уровней отдельных атомов в твердом теле.

Полная верхняя валентная зона соответствует уровню энергии валентных электронов внешней оболочки. Ближайшей к нему, незаполненной, является зона проводимости. Взаимное расположение обеих зон определяет процессы, происходящие в твердом теле, а материалы классифицируются по группам: проводники, полупроводники, диэлектрики.

В проводниках объединены зона проводимости и валентная зона. Образованная зона перекрытия позволяет электрону свободно перемещаться, получая при этом небольшое количество энергии.

В полупроводниках полосы не перекрываются. Расстояние между ними, называемое запрещенной зоной, составляет менее 2,0 эВ. При нулевой температуре в зоне проводимости нет электронов, а валентная зона заполнена ими. При повышении температуры часть электронов выбрасывается в зону проводимости из-за теплового движения. Полупроводник становится электропроводящим.

В диэлектриках зоны, как и в полупроводниках, не перекрываются. Энергетическая щель здесь больше 2,0 эВ. Для переноса электронов из валентной зоны в зону проводимости необходимо значительно повысить температуру. При низких градусах электрический ток не проводится.

Сверхпроводимость

Свойство материала иметь нулевое электрическое сопротивление при температурах ниже определенного значения называется сверхпроводимостью.

У некоторых проводящих веществ эта способность проявляется при низких температурах, близких к химическому состоянию жидкого гелия.

В 1986 году было открытие веществ с высокотемпературной сверхпроводимостью. Например, керамика из кислорода, бария, меди, лантана в обычных условиях не проводит ток, но при нагревании становится сверхпроводником.

На практике используются вещества, позволяющие электрическому току проходить при температуре 58 градусов Кельвина и более, то есть при температуре выше точки кипения азота.

Чаще всего используются высокотемпературные твердые сверхпроводники. Реже используются жидкие и газообразные. Все эти материалы необходимы для изготовления современных электроприборов различной мощности.

Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Проведя аналогии между гравитационным и электростатическим взаимодействиями, мы обнаружили их общие свойства. Однако между ними есть существенные различия. Один из них — проницаемость гравитационного поля. Действительно, невозможно построить убежище от гравитации. Но от действия сил электростатического поля можно довольно надежно спрятаться, построив защиту из проводника. Давайте выясним, почему это возможно.

Каковы особенности внутреннего строения проводников

Любое вещество состоит из молекул, атомов или ионов, которые, в свою очередь, содержат заряженные частицы. Следовательно, если вещество поместить в электрическое поле, это вызовет некоторые изменения в веществе, в зависимости от свойств самого вещества. В зависимости от электрических свойств вещества делятся на проводники, диэлектрики, полупроводники.

Проводники — это вещества, которые могут проводить электричество. Любой проводник содержит заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться внутри проводника. Металлы являются типичными проводниками. Внутренняя структура металлов представляет собой кристаллическую решетку, образованную положительно заряженными ионами и находящуюся в «газе» свободных электронов. Проводники также являются электролитами и, при некоторых условиях, газами. В электролитах свободными заряженными частицами являются положительные и отрицательные ионы, а в газах также есть электроны.

Что будет, если воздействовать извне?

Если к электрическому диэлектрику приложить внешнее электрическое поле, свободные заряды диэлектрика начнут постепенно его нейтрализовать. Кроме того, это будет продолжаться до тех пор, пока электроны не закончатся или результирующее поле не станет равным нулю.

Чтобы понять, какие вещества могут взаимодействовать с электрическими полями, нам нужно понимать такой термин, как электрическая проводимость. Проще говоря, вещество должно иметь достаточно низкую электропроводность, чтобы взаимодействовать с электрическим полем.

Точнее, удельное сопротивление должно быть сравнимо с 1010 Ом · см или даже намного выше этого значения.

А откуда берется низкая электропроводность?

Как мы знаем из базовой программы по физике, все вещества состоят из атомов. И эти атомы очень активно взаимодействуют друг с другом. У каждого из них свой заряд, и, благодаря зарядам, атомы так или иначе взаимодействуют.

Однако как создается такая низкая электропроводность? Кажется, там есть атомы, они как-то там взаимодействуют и через них может протекать ток, но не все так просто. Очень важный факт — гарантия того, что проводимость вещества невысока.

Если при приложении поля электроны, ионы и другие частицы не могут свободно перемещаться или делают это очень плохо, электрическая проводимость также будет низкой, потому что все останется на месте, а свободным электронам просто некуда будет деваться.

Кристаллическая решетка поможет разобраться

Теперь кристаллическая решетка поможет нам понять знания об электрических диэлектриках. Чтобы термины не казались нам непонятными, давайте освежим их в голове. Кристаллическая решетка — это группа таких точек, которые образуются в веществах (а точнее в кристаллах) под действием смещений (кстати, они могут происходить из-за воздействия электрического поля. Отлично, вспомните. Теперь разбираемся.

Напомним, что в изолированном на данный момент атоме энергия электронов не может принимать никакого значения. В этом состоянии энергия будет принимать хорошо выраженные значения W1, W2, W3 и так далее. Вот посмотрите на график:

Конечно, каждый из этих уровней будет немного сдвинут после того, как атомы войдут в состав твердой кристаллической решетки. Следовательно, область, где будет сосредоточена вся энергия, будет общей для всей сети.

Таким образом, в кристаллической решетке энергия электронов находится в пределах четко определенных зон, и все значения, лежащие за пределами этой зоны, запрещены. Мы сделали это. Чтобы двигаться дальше. Согласно принципу Паули, каждая зона может содержать ограниченное количество электронов. Сначала электроны заполнят нижние уровни, а когда эти строки будут полностью заполнены, они заполнят верхние ряды.

А теперь ключевая идея, которую нужно понять, чтобы понять, почему определенные вещества проводят электрический ток. Поскольку электроны постепенно заполняют ряды снизу вверх, в верхнем ряду они заполнят этот ряд полностью или только частично.

Таким образом, при частичном заполнении ряда электроны смогут свободно перемещаться по нему и проводить ток. Бинго! Но если электроны по-прежнему заполняют верхний уровень, никаких смещений при воздействии электрического поля не произойдет, и, следовательно, такое вещество можно назвать диэлектриком.

Очень похожая ситуация с аморфными твердыми телами (ну, например, янтарем или полиэтиленом). По определению, в таких веществах расположение атомов очень случайное, и области, общие для всего кристалла, просто не могут существовать, что означает, что они также являются электрическими диэлектриками.

Электростатические свойства проводников

Свойство 1. Напряженность электростатического поля внутри проводника равна нулю.

Поместите металлический проводник в электростатическое поле (рисунок 43.1). Под действием поля движение свободных электронов станет направленным. Если поле не слишком сильное, электроны не могут покинуть проводник и скопиться на определенном участке его поверхности — эта область приобретает отрицательный заряд, а противоположная область — положительный (создается оставшимися там положительными ионами).

Таким образом, на поверхности проводника возникают индуцированные (индуцированные) электрические заряды, а общий заряд проводника остается неизменным (рис. 43.2).

Явление перераспределения электрических зарядов в проводнике, помещенном в электростатическое поле, называется явлением электростатической индукции.

Наведенные на поверхности проводника заряды создают собственное прямое электрическое поле, противоположное внешнему (рис. 43.3). Процесс перераспределения заряда будет продолжаться до того момента, когда поле внутри проводника, создаваемое индуцированными зарядами, полностью скомпенсирует внешнее поле. За очень короткое время напряжение
результирующее поле внутри проводника будет равно нулю.

Рис. 43.3. Перераспределение зарядов в проводнике происходит до тех пор, пока модуль напряжения
поле индуцированных зарядов не будет равно модулю напряженности
внешнее поле

Свойство 2. Поверхность проводника эквипотенциальна. Это утверждение является прямым следствием связи между напряженностью поля и разностью потенциалов:
… Если напряженность поля внутри проводника равна нулю, разность потенциалов также равна нулю, поэтому потенциалы во всех точках проводника одинаковы.

Свойство 3. Весь статический заряд проводника сосредоточен на его поверхности. Это свойство является следствием закона Кулона и правом отвергать подобные обвинения.

Свойство 4. Вектор напряженности электростатического поля перпендикулярен поверхности проводника (рис. 43.4). Докажем свойство 4 абсурдно.

Предположим, что в некоторой точке на поверхности проводника вектор
напряженность электростатического поля направлена ​​под углом к ​​поверхности проводника. Разобьем этот вектор на две составляющие: нормальный
перпендикулярно поверхности и по касательной
по касательной к поверхности. Понятно, что в результате действия
электроны будут двигаться направленно по поверхности проводника, но это означает, что электрический ток течет по этой поверхности, а это, в свою очередь, противоречит закону сохранения энергии, поэтому:
= 0, потому что
.

Свойство 5. Электрические заряды распределены по поверхности проводника таким образом, что напряженность электростатического поля проводника больше на выступах проводника и меньше на его впадинах (рис. 43.5).

Как применяют электростатические свойства проводников

Приведем примеры использования рассмотренных электростатических свойств проводников.

Электростатическая защита. Иногда возникает необходимость изолировать устройства от воздействия внешних электрических полей. Очевидно, для этого они должны быть помещены в металлический корпус, поскольку внешнее электрическое поле вызывает появление индуцированных зарядов только на поверхности проводника, а внутри проводника отсутствует поле (рис. 43.6). Аналогичный эффект достигается заменой непрерывной токопроводящей оболочки на мелкоячеистую металлическую сетку.

Рис. 43.6. Электростатическая защита. Под действием внешнего поля на поверхности металлического корпуса возникают индуцированные заряды, поле которых экранирует внешнее электрическое поле: напряженность поля внутри корпуса обращается в ноль

Заземление. Чтобы разрядить заряженное маленькое тело, необходимо соединить его проводником с большим телом: больший электрический заряд накапливается на большом теле. Чтобы подтвердить это утверждение, рассмотрим две проводящие сферы, соединенные проводником с лучами
расположены друг от друга на большом расстоянии (относительно их радиусов) l (рис. 43.7).

Рис. 43.7. Заряд Q, передаваемый системе из двух сфер, соединенных проводником, будет распределен между сферами так, что их потенциалы
это будет то же самое

Переданный системе электрический заряд Q будет распределен между сферами так, чтобы их потенциалы были равны (
). Расстояние между сферами намного больше их радиусов, поэтому при расчете потенциалов
мячей, взаимным влиянием их полей можно пренебречь и использовать формулу для определения потенциала мяча:

До такой степени, что
, получаем, что заряды шаров прямо пропорциональны их радиусу:

Примечание! Если один из заряженных шаров значительно больше другого, то после их соединения почти весь заряд будет на большем шаре. Этот вывод справедлив и для проводимости тел произвольной формы. Итак, если коснуться проводника заряженного электроскопа рукой, заряд будет перераспределен между проводником и телом человека, а поскольку человек намного больше проводника, почти весь заряд будет передан человеку.

Часто весь земной шар используется как большое тело: устройства, на которых не должен накапливаться электрический заряд, «заземлены» — подключены к огромному проводнику, закопанному в землю.

Каковы особенности внутреннего строения диэлектриков

Диэлектрики — это вещества, плохо проводящие электрический ток: в нормальных условиях практически отсутствуют заряды, которые могут свободно перемещаться. Обычно выделяют следующие три группы диэлектриков.

Неполярные диэлектрики; полярные диэлектрики; ионные диэлектрики

Вещества, молекулы (атомы) которых неполярны: при отсутствии внешнего электростатического поля центры распределения положительных и отрицательных зарядов, составляющих молекулу (атом), совпадают. Типичными примерами таких веществ являются одноатомные газы; газы, состоящие из симметричных двухатомных молекул; некоторые органические жидкости; пластик.

Вещества, молекулы которых полярны: при отсутствии внешнего электростатического поля центры распределения положительных и отрицательных зарядов в молекуле не совпадают, то есть электронные облака перемещаются к одному из атомов. Примером полярного диэлектрика является вода ( ). Молекулы воды, как и молекулы других полярных диэлектриков, представляют собой микроскопические электрические диполи.

Вещества с ионной структурой. К ним относятся соли и щелочи, такие как хлорид натрия (NaCl). Кристаллические решетки многих ионных диэлектриков можно рассматривать как состоящие из двух вставленных друг в друга подрешеток, каждая из которых образована ионами одного знака. В отсутствие внешнего поля каждая кристаллическая ячейка в целом электрически нейтральна.

Как электростатическое поле влияет на диэлектрик

Введение диэлектрика во внешнее электростатическое поле вызывает поляризацию диэлектрика. В процессе поляризации неполярных диэлектриков возникает электронный механизм (деформация). Под действием внешнего электрического поля происходит поляризация молекул неполярных диэлектриков: положительные заряды смещаются в направлении вектора напряженности
этого поля и отрицательного — в обратном направлении (рис. 43.8, а).

В результате молекулы превращаются в электрические диполи, расположенные вдоль силовых линий внешнего поля. В результате на поверхностях AB и CD появляются нескомпенсированные связанные заряды противоположного знака, формирующие собственное поле, напряженность
который направлен на напряжение
внешнее поле (рис. 43.8, б). В процессе поляризации полярных диэлектриков возникает ориентационная поляризация. Под действием внешнего электрического поля молекулы дипольного диэлектрика пытаются повернуться так, чтобы их оси лежали вдоль силовых линий поля. Однако этому процессу препятствует тепловое движение молекул, и происходит только частичное упорядочение дипольных молекул (рис. 43.9).

Упорядоченность расположения молекул вызывает появление нескомпенсированных связанных зарядов противоположного знака на поверхностях AB и CD. Эти заряды образуют собственное поле напряженности
что противоположно напряжению
внешнее поле.

Отметим, что в полярных диэлектриках также существует механизм электронной поляризации, то есть в результате действия электрического поля в молекулах происходит смещение зарядов. Однако эффект ориентации на несколько порядков превосходит электронный эффект, поэтому последним часто не обращают внимания.

Когда ионные диэлектрики поляризованы, наблюдается ионная поляризация. Под действием внешнего поля ионы разного знака, составляющие две подрешетки, смещаются в противоположные стороны, и в результате на гранях кристалла появляются нескомпенсированные связанные заряды, т. Е. Кристалл поляризуется.

Следует подчеркнуть, что чисто ионная поляризация не наблюдается — она ​​всегда сопровождается электронной поляризацией.

Как диэлектрик влияет на электростатическое поле

Рассматривая механизмы поляризации диэлектриков, вы узнали, что введение диэлектрика во внешнее электростатическое поле вызывает появление связанных зарядов на его поверхности. Связанные заряды создают электрическое поле напряжённостью
, которая внутри диэлектрика направлена ​​против силы
внешнее поле. Возникающее напряжение
результирующее поле внутри диэлектрика по абсолютной величине меньше, чем сила
внешнее поле:
… Уменьшить модуль напряжения
электростатического поля в веществе относительно модуля силы
электростатическое поле в вакууме характеризуется физической величиной, называемой диэлектрической проницаемостью вещества:

Диэлектрические проницаемости различных веществ могут отличаться в десятки раз. Так, диэлектрическая проницаемость газов близка к единице, жидких и твердых неполярных диэлектриков — нескольким единицам, полярных диэлектриков — нескольким десяткам единиц (для воды ε = 81). Есть вещества (их называют сегнетоэлектриками) с диэлектрической проницаемостью порядка десятков и сотен тысяч.

Уменьшение напряженности электрического поля в диэлектрике на один раз по отношению к напряженности поля в вакууме приводит к уменьшению силы электростатического взаимодействия. Следовательно, закон Кулона для случая взаимодействия двух зарядов
расположенные в диэлектрике на расстоянии r друг от друга, имеет вид:

Изменились также формулы для определения потенциала и модуля силы E поля, создаваемого точечным зарядом Q, находящимся в диэлектрике:
, где r — расстояние от заряда до точки, где определяется напряженность или потенциал поля.